Solid-state drive

Carte SSD de 8 Gio provenant de l’Asus Eee PC 901. La connectique est mini PCI-Express.

Comparaison entre un disque dur classique et un SSD.

Un SSD, pour solid-state drive, est un matériel informatique permettant le stockage de données, constitué de mémoire flash. Le terme anglais « solid-state » signifie que ce matériel est constitué de mémoires à semi-conducteurs à l’état solide par opposition aux tubes électroniques d’autrefois. Ces mémoires sont des éléments immobiles à la différence du disque dur classique, sur lequel les données sont écrites sur un support magnétique en rotation rapide.

Un SSD est moins fragile mécaniquement qu’un disque dur, les plateaux de ces derniers étant de plus en plus souvent en verre depuis 2003^[1].

Les SSD offrent un temps d’accès bien plus court qu’un disque dur à plateau (0,1 ms contre 13 ms), des débits augmentés jusqu’à 550 Mio/s en lecture et 500 Mio/s en écriture pour les modèles exploitant l’interface SATA III ou SAS 2.0, ainsi qu’une consommation électrique diminuée. Cette nouvelle technologie, appropriée pour succéder aux disques durs classiques, a souffert quelque temps de tarifs au gigaoctet encore très élevés. Le gigaoctet pour 1 euro a été atteint en France début septembre 2011 dans le cadre d'une offre promotionnelle restreinte^[2].

Un type particulier de SSD utilisant de la DRAM au lieu de la mémoire flash ne peut assurer le maintien de son contenu qu’avec des batteries et pour une durée limitée^[3].

Généralités

L’objet principal d’un SSD à l’heure actuelle est de s’affranchir de trois défauts des disques durs classiques :

• leur mécanique et leur fragilité d’une part (cf. la tribologie) ;
• les nuisances sonores dues à la lecture des données ;
• des latences importantes d’accès aux données :
  • la demi-rotation nécessaire en moyenne pour accéder à celles-ci,
  • le temps de déplacement de piste à piste de la tête de lecture.

Au moment où apparaissent les SSD, la majorité des disques tournent à 7 200 tr/min, soit environ 4,2 ms de latence moyenne, et le temps moyen de recherche (temps nécessaire aux têtes pour se mettre en position) est le plus souvent compris entre 8 ms et 12 ms pour un disque dur grand public, ce qui donne donc un temps d’accès moyen compris entre 12 et 16 ms (davantage en écriture parce que des tables d’allocation doivent être mises à jour). Ce temps d’accès moyen a peu évolué en dix ans, tandis que les vitesses des processeurs, des mémoires vives, des cartes vidéos et d’un bon nombre des composants d’un PC ont connu des progrès considérables.

L’usage de la mémoire flash, supprime en théorie le problème des temps d’accès, ramené à l’ordre de 0,1 ms seulement. La réactivité de l’ordinateur est donc considérablement augmentée^[4]. Malgré des débits parfois plus faibles, en particulier en écriture, les SSD se révèlent donc presque systématiquement plus rapides que les disques traditionnels.

Un SSD est composé de deux éléments principaux. Le premier est un certain nombre de puces de mémoire flash, similaires à celles employées dans les cartes-mémoire des appareils photos, téléphones portables, etc. Le second est un contrôleur de disque et un micrologiciel permettant l’interface entre les puces de mémoire et le reste de l’ordinateur et qui s’occupe donc de la façon dont les données seront gérées lorsque le reste de l’ordinateur lui demandera de lire ou d’écrire des données.

Comme un SSD est amené à remplacer un disque dur d’un PC classique, les puces de mémoire se doivent d’être de bonne qualité et d’une fiabilité exemplaire. Le contrôleur a une importance particulière : contrairement aux disques durs dont la technologie est développée depuis des décennies, les SSD sont très récents et un contrôleur inefficace pourrait nuire considérablement aux performances, voire avoir un effet contre-productif. De nos jours (2011), les performances d’un SSD dépendent principalement de celles de son contrôleur.^{[réf. souhaitée]}

La durée de vie du SSD, quant à elle, sera très dépendante de celle des mémoires flash le composant. Les constructeurs mettent toujours en place une quantité de mémoire supérieure à celle vendue pour des raisons d’optimisation des performances et de la durée de vie, ce qui n’est pas sans rappeler la gestion des « secteurs défectueux » sur les disques durs anciens, même neufs, ou les modernes en fin de vie.

Types de mémoires SLC ou MLC

Il existe deux types de mémoire flash : la SLC (Single Level Cell), dans laquelle chaque cellule élémentaire peut stocker un seul bit (deux niveaux de charge) et la MLC (Multi Level Cell), dans laquelle les cellules peuvent stocker plusieurs bits (le plus souvent, 2 bits, soit quatre niveaux de charge, mais parfois 3 bits, soit huit niveaux de charge, dans les MLC « X3 » introduites en 2009).

Le stockage de plusieurs bits par cellule permet de diminuer fortement le coût de fabrication, puisque la densité est au minimum doublée, mais dégrade les performances, surtout en écriture, et réduit grandement la durée de vie des cellules (sur des mémoires 50 nm, on passe de 100 000 cycles écriture/effacement en SLC à 10 000 en MLC, soit une durée de vie divisée par 10).

La majorité des SSD grand public utilisent de la mémoire MLC, tandis que la mémoire SLC se retrouve dans les SSD destinées aux entreprises et aux serveurs, ce qui crée le problème principal du SSD grand public : la limite des cycles d’écriture.

La commande TRIM

La commande TRIM, disponible sur la plupart des modèles récents de SSD, permet aux systèmes d’exploitation modernes, tels que les systèmes Linux à partir du noyau 2.6.33 ou le système d’exploitation Microsoft Windows à partir de Windows 7, ainsi que Mac OS X depuis la version 10.6.6 (mais uniquement sur les disques SSD livrés par Apple^[5]), d’éviter que les performances ne se dégradent avec le temps. Elle sert à notifier le SSD lors de l’effacement d’un fichier. Le contrôleur du SSD peut alors effacer les cellules de mémoire flash anciennement utilisées, afin d’optimiser les écritures ultérieures qui pourront alors être effectuées sans avoir à réaliser l’effacement préalable imposé par la technologie de la mémoire flash.

Sans TRIM

Le fabricant Kingston, sur son modèle SSDNow V+ 100, annonce une technologie permettant un résultat proche des systèmes d’exploitation couplés avec des SSD offrant la commande TRIM, tout en étant disponible pour tous les types de systèmes d’exploitation. Cette solution nommée « Garbage Collector » (en français, ramasse miettes) fonctionne au niveau du micrologiciel du SSD, indépendamment du système (OS).

SSD en PCI Express

Afin de délivrer le maximum de leur débit, il existe des SSD reliés directement à la carte mère par le biais d’un connecteur PCI Express, à l’image d’une carte graphique. Ceci permet à certains SSD de dépasser la barre du Gio/s, alors que les interfaces SATA sont limitées à 600 Mio/s pour les toutes dernières générations, et même 300 Mio/s pour les interfaces SATA les plus répandues.

Les SSD au format PCI Express sont le plus souvent constitués d’un contrôleur SATA RAID interfaçant deux à huit SSD SATA placés directement sur la carte, permettant ainsi d’obtenir une solution RAID clé en main et bien plus compacte qu’une carte SATA RAID raccordée à des SSD SATA classiques au format 2,5 ou 3,5 pouces. Cependant, ce type de solution ne supporte pas encore la commande TRIM.

Avantages et inconvénients

Avantages par rapport au disque dur traditionnel

• Pas d’usure mécanique : pas de plateau tournant ni de bras de lecture mobile ;
• Meilleure résistance aux chocs puisque aucune partie mobile n’est présente, ce qui est appréciable dans les portables ;
• Silence de fonctionnement : l’absence de pièces mécaniques se traduit par l’absence de bruits dus aux mouvements de ces pièces (certains SSD - par exemple l’OCZ Onyx 64 Go - émettent toutefois un sifflement discret, à peine audible, quand ils sont sollicités).
• Meilleure réactivité de l’ordinateur qui l’utilise pour le système d’exploitation, grâce à :
  • Temps d’accès compris entre 0,05 et 0,1 ms, là où un disque dur traditionnel a souvent un temps d’accès moyen proche de 13 ms ;
  • Débit pouvant dépasser les 350 Mio/s en lecture et les 215 Mio/s en écriture, contre un peu plus de 100 Mio/s pour les meilleurs disques durs^[6],[7] ;
  • La fragmentation des fichiers, importante dans certains systèmes de fichiers, réduit notablement les performances des disques durs au fur et à mesure que des fichiers sont stockés, utilisés ou déplacés. Elle n’a pas d’incidence sur les performances des SSD^[8]. La défragmentation d’un SSD est même contreproductive sur les performances et la durée de vie d’un SSD, au point que Windows 7 désactive toute option de défragmentation sur les SSD^[9] (la défragmentation est inutile et inexistante sous GNU/Linux et Mac OS X).
• Faible consommation électrique : environ 0,1 watt en veille, environ 0,9 watt en activité contre une consommation pour les disques durs de 0,5 à 1,3 W en veille et de 2 à 4 W lorsque leurs têtes se déplacent^[10]. Cet avantage est remis en cause car les SSD seraient beaucoup plus souvent à leur niveau de consommation maximal que les disques durs^[10], de plus certains disques durs 2,5 pouces à 5 400 tr/min ont quasiment la même consommation^[11] ;
• Quasiment aucun dégagement de chaleur : du fait de sa faible consommation électrique, de l’absence de pièces en mouvement (pas de moteurs contrairement à un disque dur classique) et du faible encombrement des puces mémoires dans le carter des SSD, le faible dégagement calorifique de la mémoire en fonctionnement est dissipé par la carcasse du SSD. Cette technologie autorise des SSD totalement étanches (utilisation en boites noires dans le secteur aéronautique par exemple).
• Meilleure fiabilité du stockage de la donnée en cas d’usure extrême : une cellule SSD trop usée perd sa capacité à enregistrer une nouvelle information mais elle reste lisible et son contenu toujours accessible. Alors que sur un disque dur classique un secteur défectueux sera illisible.

Éléments sujets à débat

• Nombre de cycles d’écriture limité à 100 000-300 000, au mieux 1 à 5 millions pour les meilleures cellules (non limité sur un disque dur conventionnel^{[réf. nécessaire]})^{[12][réf. insuffisante]}, ce qui pose des problèmes avec les fichiers de journal (.log) ou les fichiers temporaires avec lesquels ce nombre est largement dépassé dans la vie d’un ordinateur. Néanmoins, des progrès ont été réalisés dans ce domaine, puisque des algorithmes d’étalement de l’usure (wear levelling) chargés de répartir les écritures de manière uniforme sur l’ensemble de la mémoire flash sont intégrés aux contrôleurs des SSD. Ces techniques permettent d’allonger de manière importante la durée de vie de ces supports, ce qui est d’autant plus vrai que la capacité des puces augmente (l’usure est alors mieux répartie) et que de la mémoire « non déclarée » gérée par le contrôleur est introduite en quantité supplémentaire. Au final, la durée de vie des disques SSD pourrait être supérieure à celle des disques durs conventionnels qui - bien qu’ils n’aient pas de plafond de nombre de cycles d’écriture - n’en sont pas moins sujets à des pannes mécaniques dont la probabilité augmente avec l’âge^[13].
  • Pour ses SSD X25-M (grand public), Intel indique par exemple une durée de vie de 5 ans en écrivant chaque jour 20 Go de données^[14].
  • Toshiba annonce en décembre 2010 sur son modèle professionnel de 100 Go une limite d’écriture de 8 Po (8 000 To), soit 4,3 To par jour pendant 5 ans^[15].

Défauts inhérents à la mémoire flash

• À ses débuts, la capacité de stockage semblait être un défaut pour ces périphériques, cependant, leur capacité est devenue suffisante pour assurer les besoins d’un PC avec des SSD désormais vendus avec 32 à 512 Go. De façon plus extrême, on trouve des SSD en connexion PCI-express de 1,28 To ^[16],[17]. En juin 2010, 1 To est vendu à 2 900 € environ.
• Le prix au Go reste très supérieur à celui d’un disque dur, mais le prix du « disque » SSD lui-même est similaire. En octobre 2010, on trouve de « bons » SSD à moins de 2 € le Go^[18], en dessous des 2 € par Go caractéristiques de clés USB à la même date, contre 0,05 € le Go pour un disque dur^[19], qui convient mieux au support des backups ainsi que des films - surtout HD -, des photos numériques et de l’audiothèque, le SSD étant pour sa part un choix intéressant pour le « disque » système, qui a rarement besoin de plus que ces 64 Go.

Industrialisation et utilisations

Développement

Depuis 2009, beaucoup de constructeurs commencent à le proposer comme système de stockage. Le rôle semble pouvoir lui convenir, puisqu’il offre des capacités suffisantes pour contenir le système d’exploitation – de l’ordre d’un à plusieurs dizaines de Go – et de bons temps d’accès. Une configuration adaptée serait donc de combiner un SSD pour le système d’exploitation couplé à un disque dur servant au stockage et aux fichiers temporaires (qui demandent beaucoup d’écritures).

Ce type d’unité de stockage est bien adapté aux équipements multimédia, ordinateur portable grâce à leurs caractéristiques permettant de réduire le bruit, l’encombrement et la consommation. L’utilisation intensive d’une base de données générant un nombre très important d’entrées et sorties, le temps d’accès aux données du disque est un critère déterminant pour la vitesse de fonctionnement du SGBD^[20].

Début 2008, certains constructeurs annoncent que les SSD permettent d’envisager à moyen terme le stockage de masse pour serveurs.

En lecture, l’intérêt du SSD est d’autant plus grand que l’on doit adresser beaucoup de petits fichiers dispersés. Cet avantage n’apparaît pas dans les benchs plus traditionnels comme hdparm sous Linux :

root@fda-P5QC:~# hdparm -tT /dev/sda1

/dev/sda1:
 Timing cached reads:  13012 MB in  2.00 seconds = 6519.80 MB/sec
 Timing buffered disk reads: 392 MB in  3.01 seconds = 130.13 MB/sec

(Exemple de mesure sur un OCZ Onyx 1 64 Go neuf)

mais est manifeste lorsque l’on charge une application comportant plusieurs greffons (plugins), comme souvent Firefox ou Eclipse, ou bibliothèques chargées dynamiquement, comme les DLL de Windows.

Enfin, le succès des docks 2,5″ permet d’utiliser des SSD comme des super-disquettes enfichables sur un ordinateur ou sur un autre, compte tenu de leur robustesse et de leur légèreté. Une disquette typique de 3,5 pouces contenait 1,4 Mo ; le disque SSD typique de 64 Go en contient donc 43 402 fois plus^[21].

Constructeurs

Produits finis

• A-Data
• Corsair
• Crucial
• G.Skill
• Intel
• Kingston
• OCZ
• Patriot
• Samsung
• Western Digital
• Mushkin
• …

Contrôleurs

• Indilinx
• SandForce

Le successeur du disque dur ?

Dans les équipements mobiles et de petites dimensions qui sont l’essence de la nouvelle génération d’informatique diffuse et de l’intelligence ambiante, de plus en plus d’experts considèrent que le disque dur, relativement fragile et d’une taille minimale incompressible du fait d’un système mécanique en rotation^[22], n’est pas la solution optimale^[23].

La généralisation des systèmes domotiques fonctionnant 24 h par jour plusieurs années de suite devient envisageable dès lors que leurs centraux ne contiennent plus de pièces mécaniques mobiles : on peut donc envisager de commander beaucoup de choses dans sa maison de campagne - ou chez soi quand on est en vacances ou au bureau - par Internet : allumage du chauffage, détection d’intrusion avec transmission des images webcam à distance, etc. Voir X10.

Notes et références

Voir aussi

Articles connexes

• Mémoire flash
• Wear levelling
• Disque dur
• Système de fichiers
• Ferroelectric Random Access Memory, un autre type de mémoire
• Hyperviseur de stockage

Liens externes

• (en) A guide to understanding Solid State Drives
• Sébastien Pétain, Le point sur la technologie des SSD, sur le site BHmag.fr
• Sébastien Pétain, Dossier : Comment optimiser son SSD, sur le site BHmag.fr
• Patrick Guignot, Les systèmes de fichiers pour disques SSD, sur le site linuxfr.org, 4 avril 2008
• Pascal Meyrou, Eric Baudot Comparatif permanent de SSD et bases techniques, sur le site comptoir du hardware, mise à jour régulièrement
• Stéphane Charpentier, Un mois avec un SSD, le verdict… sur le site Matbe.com
• Stéphane Charpentier, Puce MLC/SLC et l’importance du contrôleur… sur le site Matbe.com
• Matthieu Sarter, Comprendre les SSD… sur le site Infobidouille
• (en) Anand Lal Shimpi, The SSD Anthology: Understanding SSDs sur le site Anandtech
• Comparatif • 7 SSD de 32 à 256 Go sur le site du Comptoir du hardware (principe de fonctionnement et tests de quelques unités) 5 août 2009
• Sujet SSD Hardware.fr

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